L’industrie des biocarburants de deuxième génération utilise, entre autre, la biomasse lignocellulosique issue de résidus forestiers et agricoles et celle issue de cultures énergétiques. Le sorgho sucré [Sorghum bicolor (L.) Moench] fait partie de ces cultures énergétiques. L’intérêt croissant de l’industrie agroalimentaire et des biocarburants pour cette plante est dû à sa haute teneur en sucres (jusqu’à 60% en masse sèche). En plus de se développer rapidement (en 5-6 mois), le sorgho sucré a l’avantage de pouvoir croître sur des sols pauvres en nutriments et dans des conditions de faibles apports en eau, ce qui en fait une matière première intéressante pour l’industrie, notamment pour la production de bioéthanol. Le concept de bioraffinerie alliant la production de biocarburants à celle de bioénergies ou de bioproduits est de plus en plus étudié afin de valoriser la production des biocarburants. Dans le contexte d’une bioraffinerie exploitant la biomasse lignocellulosique, il est nécessaire de s’intéresser aux différents métabolites extractibles en plus des macromolécules permettant la fabrication de biocarburants et de biocommodités. Ceux-ci pouvant avoir une haute valeur ajoutée et intéresser l’industrie pharmaceutique ou cosmétique par exemple. Les techniques classiques pour extraire ces métabolites sont notamment l’extraction au Soxhlet et par macération ou percolation, qui sont longues et coûteuses en énergie. Ce projet s’intéresse donc à une méthode d’extraction des métabolites primaires et secondaires du sorgho sucré, moins coûteuse et plus courte, permettant de valoriser économiquement l’exploitation industrielle du de cette culture énergétique. Ce travail au sein de la CRIEC-B a porté spécifiquement sur l’utilisation d’une émulsion ultrasonique eau/carbonate de diméthyle permettant de diminuer les temps d’opération (passant à moins d’une heure au lieu de plusieurs heures) et les quantités de solvants mis en jeu dans le procédé d’extraction. Cette émulsion extractive permet ainsi de solubiliser à la fois les métabolites hydrophiles et ceux hydrophobes. De plus, l’impact environnemental est limité par l’utilisation de solvants respectueux de l’environnement (80 % d’eau et 20 % de carbonate de diméthyle). L’utilisation de deux systèmes d’extraction a été étudiée. L’un consiste en la recirculation de l’émulsion, en continu, au travers du lit de biomasse; le deuxième permet la mise en contact de la biomasse et des solvants avec la sonde à ultrasons, créant l’émulsion et favorisant la sonolyse de la biomasse. Ainsi, en réacteur « batch » avec recirculation de l’émulsion eau/DMC, à 370 mL.min[indice supérieur -1], au sein du lit de biomasse, l’extraction est de 37,91 % en 5 minutes, ce qui est supérieur à la méthode ASTM D1105-96 (34,01 % en 11h). De plus, en réacteur « batch – piston », où la biomasse est en contact direct avec les ultrasons et l’émulsion eau/DMC, les meilleurs rendements sont de 35,39 % en 17,5 minutes, avec 15 psig de pression et 70 % d’amplitude des ultrasons. Des tests effectués sur des particules de sorgho grossières ont donné des résultats similaires avec 30,23 % d’extraits en réacteur « batch » avec recirculation de l’émulsion (5 min, 370 mL.min[indice supérieur -1]) et 34,66 % avec le réacteur « batch-piston » (30 psig, 30 minutes, 95 % d’amplitude).

Le millet perlé sucré et le sorgho sucré sont deux plantes ayant une riche concentration en sucres fermentescibles dans leur tige sous forme de jus. Celui-ci peut être extrait par pressage mécanique et ensuite fermenté pour une éventuelle production de bioéthanol. Contrairement à d’autres cultures présentement utilisées pour la production de bioéthanol de première génération, le millet perlé et le sorgho sucrés peuvent être cultivés sur des sols légers moins fertiles puisqu’ils demandent peu d’apport nutritif et d’eau. Ces deux espèces sont donc attrayantes afin de diversifier les sources de production d’énergie durable. Plusieurs études sur le sorgho sucré ont été effectuées à travers le monde, mais l’utilisation du millet perlé sucré reste relativement nouvelle. Des avancées agronomiques ont été effectuées au courant des dernières années avec ces deux cultures selon les réalités régionales du Québec. Par contre, le processus de récolte, d’entreposage et de pressage du millet perlé sucré et du sorgho sucré n’a pas encore été étudié selon ces réalités. Au cours des années 2012, 2013 et 2014, des expériences de récolte, d’entreposage de la biomasse, d’extraction et d’entreposage du jus de ces deux cultures ont été réalisées au Québec pour déterminer les paramètres permettant d’améliorer ces opérations. Quatre volets ont été étudiés séparément (récolte, entreposage de la biomasse, extraction et entreposage du jus) pour ensuite analyser le tout et déterminer le scénario le plus adéquat de récolte, de pressage de la biomasse et d’entreposage du jus pour une éventuelle fermentation. Des essais d’une machinerie de récolte ont d’abord été réalisés afin de déterminer, entre autres, les vitesses d’avancement adéquates pour la récolte de ces deux cultures. Des essais d’entreposage de la biomasse sous forme de tiges entières ou hachées ont ensuite été effectués selon différents délais entre la récolte et le pressage afin d’examiner l’impact du hachage et des délais sur le volume de jus extrait de la biomasse et sa concentration en sucres. Deux presses ont aussi été fabriquées, testées et comparées afin de déterminer la presse la plus adéquate en termes de quantité et qualité (sous forme de sucres extraits) du jus. Finalement, des essais d’entreposage du jus ont été réalisés pour déterminer l’impact de divers délais et températures d’entreposage sur la concentration en sucres. Les résultats obtenus ont indiqué que la biomasse peut être récoltée à l’aide d’une fourragère conventionnelle, préférablement avant un épisode de verse de la biomasse, qui peut être fréquent sous nos climats. L’entreposage de la biomasse sous forme de tiges entières est possible sur une période de plus de 12 jours pour le sorgho sucré et de 4 jours pour le millet perlé sucré. Si la biomasse est hachée, elle devra par contre être pressée dans les premières 24 h afin d’éviter la dégradation des sucres par fermentation sous l’action d’enzymes comme l’invertase. Le jus extrait peut être conservé à température ambiante pendant 12 h sans aucune perte significative de sucres. Le pressage de la biomasse devrait être effectué sans les feuilles à l’aide d’une presse à rouleaux ou hydraulique pour le sorgho sucré et ce pour une extraction optimale du jus. Pour le millet perlé sucré, l’extraction du jus à l’aide d’une presse à rouleaux est déconseillée dû au faible diamètre des tiges. Les résultats indiquent qu’il est possible d’utiliser ces deux cultures pour une éventuelle production de bioéthanol au Québec, bien que cette production reste une source de revenu secondaire pour les producteurs, compte tenu d’une courte période de récolte et des rendements en sucres relativement faibles. / Sweet sorghum and sweet pearl millet are two plants with stems rich in fermentable sugars. The sugary juice can be extracted by mechanical pressing and fermented for bioethanol production. Unlike other crops currently used for first generation bioethanol production, sweet pearl millet and sweet sorghum can grow on light and less fertile soils since they require little water and nutrient supplies. These two species are therefore very attractive to diversify the sources of sustainable biofuels production. Several studies on sweet sorghum have already been carried out worldwide, but the use of sweet pearl millet is relatively new. Agronomic breakthroughs have been achieved these recent years with both crops in the Province of Quebec. However, the process of harvesting, storage, and extracting the juice from the biomass of sweet pearl millet and sweet sorghum has not yet been optimized under the regional realities of Quebec. Experiments have therefore been carried out in 2012, 2013, and 2014 in the Province of Quebec to optimize the harvesting, storage, and juice extraction process of both crops. Four components have been studied separately (harvesting, storage of biomass, juice extraction, and storage of the juice) and then an optimal scenario, from harvest to juice storage prior fermentation, was determined. Tests of harvesting were first performed to determine, among others, the adequate harvesting speeds for both crops. Storage trials with whole stalks and chopped biomass were also carried out to investigate the impact of various time delays on the volume of juice extracted and its sugars concentration. Two experimental presses were tested and compared to determine the most adequate one in terms of juice quantity and quality (as extracted sugars). Finally, experiments on juice storage were carried out to explore the impact of various time delays and storage temperatures on the juice’s sugar concentration. Our results indicated that the sweet sorghum and sweet pearl millet can be harvested with a conventional forage harvester, ideally before lodging, which might occur frequently under Quebec climate. Whole stalks storage is possible over a period of 12 days for sweet sorghum and 4 days for sweet pearl millet biomass. If the biomass is chopped, storage should however not be longer than 24 hours to avoid sugar losses by fermentation or by the action of enzymes such as invertase. The extracted juice can be stored for 12 h without any sugar loss if stored at ambient temperature. Juice extraction of sweet sorghum biomass should be carried out without the leaves, using a hydraulic or a roller presses, for optimal extraction of the juice. For sweet pearl millet, extraction of the juice using a roller press is not recommended due to the small diameter of the stems. The results indicate that it is possible to use these two crops for bioethanol production in Quebec, although this production would remain a secondary source of income for producers, given a short period of harvest and relatively low sugar yields.

Des essais ont été réalisés en 2010 à Saint-Augustin-de-Desmaures et à Sainte-Anne-de-Bellevue afin de comparer deux espèces destinées à la production d’éthanol (millet perlé sucré/sorgho sucré), deux dates de récolte (août/septembre) et quatre délais entre le hachage et le pressage (0,5, 2, 4 et 6 heures) sur le rendement en biomasse et en sucres et sur la valeur nutritive du fourrage et de l’ensilage du résidu pressé. Le sorgho sucré représente une meilleure source de sucres comparé au millet perlé sucré. La récolte réalisée en août permet d’obtenir un fourrage et un ensilage des résidus pressés de meilleure valeur nutritive, alors que celle effectuée en septembre permet de maximiser le rendement en biomasse et en sucres. Le délai entre le hachage et le pressage n’affecte pas la teneur et le rendement en sucres du jus. Les ensilages fabriqués à partir du résidu pressé des deux espèces se sont bien conservés. / Field studies were conducted in 2010 at Saint-Augustin-de-Desmaures and Sainte-Anne-de-Bellevue to compare two crops potentially used for ethanol production (sweet pearl millet/sweet sorghum), two harvest dates (August/September), and four delays between mowing and pressing the biomass (0.5, 2, 4, and 6 hours) for biomass and sugar yields and nutritive value of the forage and silage made with the residue. Sweet sorghum is a better source of sugar than sweet pearl millet. The harvest in August produces a forage and a silage of greater nutritive value, whereas the harvest in September maximizes biomass and sugar yields. The delay between mowing and pressing the biomass had no significant impact on yield and sugar concentration of the juice. Silages made from the pressed forage material of both species were well preserved.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / L'utilisation du sorgho sucré [Sorghum bicolor (L.) Moench] et du millet perlé sucré [Pennisetum glaucum (L.) R.BR.] comme cultures énergétiques au Québec a gagné de l'intérêt ces dernières années. Leur sève riche en carbohydrates solubles dans l'eau peut être fermentée pour une éventuelle production d'éthanol. Leur particularité réside dans leur utilisation efficace des fertilisants azotées et de l'eau par comparaison au maïs, la seule culture utilisée actuellement pour produire de l'éthanol au Québec. Différentes études s'intéressant à la régie de culture de ces deux plantes ainsi qu'à leur récolte, à l'entreposage de la biomasse et à l'extraction du jus et son entreposage, ont été effectuées. Cependant, la valorisation du résidu de pressage (appelé bagasse) nécessite d'être explorée davantage. L'objectif général de cette thèse était d'optimiser l'extraction des carbohydrates solubles dans l'eau à partir de la biomasse du sorgho sucré et du millet perlé sucré pressée à l'aide d'une presse hydraulique et de valoriser la bagasse générée pour une éventuelle production d'éthanol cellulosique ou pour en faire de l'ensilage. L'extraction du jus à partir de la biomasse du sorgho sucré et du millet perlé sucré a été effectuée à l'aide d'une presse hydraulique de laboratoire. L'optimisation de l'extraction des carbohydrates solubles a été basée sur deux pressages de la biomasse avec imprégnation de la bagasse avec de l'eau avant le deuxième pressage. Les effets de deux types de hachages (grossier ou fin), quatre ratios eau:bagasse (0,5; 1; 1,5 et 2) et trois températures de l'eau d'imprégnation (25, 45 et 65 °C) sur l'extraction des carbohydrates solubles ont été étudiés. Le potentiel de la bagasse générée par le processus de pressage optimisé a été exploré pour une éventuelle production d'éthanol cellulosique. Pour ce faire, la bagasse a été réduite en deux tailles (4,5-9 mm et 1 mm), prétraitée à l'aide de l'acide sulfurique ou de l'hydroxyde de sodium à deux concentrations (1% et 3%) puis saccharifiée enzymatiquement. L'effet de ces paramètres sur la libération de carbohydrates structuraux a été déterminé et les rendements en éthanol de première génération et cellulosique ont été calculés basé sur ces résultats puis prédits en tenant compte du rendement de ces cultures au Québec. Afin d'étudier le potentiel d'un pressage au champ de la biomasse de sorgho et de millet perlé sucrés, trois ratios eau:bagasse (0,5; 1 et 1,5) ont été considérés pour l'imprégnation de la bagasse avant le deuxième pressage. Les bagasses générées ont été ensilées et leurs qualités de conservation et nutritives ont été évaluées. Pour l'extraction de carbohydrates solubles en laboratoire, presser la biomasse grossièrement hachée (4,5-9 mm) deux fois tout en imprégnant la bagasse avec de l'eau à 25 °C selon un ratio eau:bagasse de 1 juste avant le deuxième pressage était la condition optimale. Sous cette condition, les rendements d'extraction de carbohydrates solubles étaient de 83% et 78% pour le sorgho sucré et le millet perlé sucré, respectivement. Le rendement en éthanol de première génération a été prédit à 871-1267 L.ha⁻¹ pour le sorgho sucré et à 600-1188 L.ha⁻¹ pour le millet perlé sucré. Le prétraitement de la bagasse générée avec de l'hydroxyde de sodium à 3% était la condition la plus appropriée pour l'obtention d'éthanol cellulosique en favorisant la libération des carbohydrates structuraux après saccharification enzymatique. En effet, la cellulose a été saccharifiée à 88% et 73% pour le sorgho et le millet, respectivement, ce qui a généré une concentration en glucose de 320 et 249 g.kg⁻¹ MS de bagasse, respectivement. Ainsi, les rendements en éthanol cellulosique prédits ont varié de 1527-2221,6 et 1185-2347 L.ha⁻¹ pour le sorgho et le millet, respectivement. Pour le pressage du sorgho et du millet au champ, un ratio d'imprégnation eau:bagasse de 0,5 a été adéquat pour l'extraction des carbohydrates solubles résiduels. Dans ce contexte, un rendement d'extraction des carbohydrates solubles totaux (initiaux + résiduels) de 50% a été obtenu pour le sorgho contre 46% pour le millet, à la suite de deux pressages. La concentration des carbohydrates solubles résiduels dans les bagasses de deuxième pressage ont permis une fermentation adéquate des ensilages. Malgré la teneur élevée en fibres ADF et NDF des ensilages, les digestibilités in vitro de la matière sèche (IVTD) et des fibres NDF (NDFd) étaient bonnes, surtout pour le sorgho sucré. Cela pourrait procurer à la bagasse de sorgho sucré un potentiel intéressant en alimentation animale. / The use of sweet sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench] and sweet pearl millet [Pennisetum glaucum (L.) R.BR.] as energy crops in Quebec has gained interest in recent years. Their sap rich in water soluble carbohydrates can be fermented for an eventual production of ethanol. Their particularity lies in their efficient use of nitrogen fertilizers and water compared to corn, the only crop currently used for ethanol production in Québec. Various studies focusing on the cultivation management of these crops as well as their harvesting, the storage of the biomass, and the extraction of the juice and its storage have been carried out. However, the valorization of the pressing residue (called bagasse) still needs to be further explored. The general objective of this thesis was to optimize the extraction of water soluble carbohydrates from sweet sorghum and sweet pearl millet biomass pressed using a hydraulic press and to valorize the generated bagasse for eventual cellulosic ethanol production or for making silage. Juice extraction from sweet sorghum and sweet pearl millet biomass was performed using a laboratory hydraulic press. The optimization of soluble carbohydrate extraction was based on two pressings of the biomass with impregnation of the bagasse with water before the second pressing. The effect of two chopping modes (coarse or fine), four water:bagasse ratios (0.5, 1, 1.5, and 2), and three water temperatures (25, 45, and 65 °C) on the extraction of soluble carbohydrates have been studied. The bagasse generated from the optimized pressing process was investigated for an eventual production of cellulosic ethanol. For this purpose, the bagasse was reduced in two sizes (4.5-9 mm and 1 mm), pretreated either with sulfuric acid or with sodium hydroxide at two concentrations (1% and 3%) and then enzymatically saccharified. The effect of these parameters on structural carbohydrate release was determined and the first generation and cellulosic ethanol yields were predicted based on the yield of these plant species in Quebec. For an in-field pressing of sorghum and millet biomass, three water:bagasse ratios (0.5, 1, and 1.5) were considered for bagasse impregnation before the second pressing. The bagasses generated were ensiled and their conservation and nutritive qualities were evaluated. For the extraction of soluble carbohydrate in the laboratory, pressing the coarsely chopped biomass (4.5-9 mm) twice while impregnating the bagasse with water at 25 °C according to a water:bagasse ratio of 1 just before the second pressing was the optimal condition. Under this condition, extraction yields of soluble carbohydrates were 83% and 78% for sweet sorghum and sweet pearl millet, respectively. First generation ethanol yields of 871-1267 L.ha⁻¹ and 600-1188 L.ha⁻¹ were predicted for sweet sorghum and sweet pearl millet, respectively. Pretreatment of the generated bagasse with 3% sodium hydroxide was the most suitable condition to produce cellulosic ethanol by efficiently releasing structural carbohydrates after enzymatic saccharification. Indeed, the cellulose was saccharified at 88% and 73% for sorghum and millet, respectively, which generated a glucose concentration of 320 and 249 g.kg⁻¹ DM of bagasse, respectively. Thus, cellulosic ethanol yields ranging from 1527-2221.6 and 1185-2347 L.ha⁻¹ were predicted for sorghum and millet, respectively. For in-field pressing of sorghum and millet, a water:bagasse ratio of 0.5 was adequate for the extraction of residual soluble carbohydrates. In this context, an extraction yield of total soluble carbohydrates (initial + residual) of 50% was obtained for sorghum against 46% for millet, following two pressings. The concentration of residual soluble carbohydrates in the second pressing bagasse allowed adequate fermentation of the silages. Despite the high content of ADF and NDF fibers in silage, in vitro true digestibilities of dry matter (IVTD) and NDF fibers (NDFd) were good especially for sweet sorghum. Sweet sorghum silage from bagasse could thus have a good potential in animal feed.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / Dans le cadre de ce projet, deux expériences ont été réalisées à la ferme expérimentale de l’Université Laval à Saint-Augustin-de-Desmaures visant à améliorer l’extraction des sucres solubles de la biomasse du millet perlé sucré et du sorgho sucré pour une éventuelle production de bioéthanol. L’expérience de 2013 a démontré que l’imprégnation de la biomasse hachée lors d’un premier pressage avec du jus déjà extrait n’a pas amélioré le rendement en jus des deux plantes et les taux d’extraction des sucres (fructose, glucose, sucrose et sucres solubles totaux) n’ont pas été améliorés suite à cette imprégnation. Les taux d’extraction des sucres solubles totaux de la biomasse du sorgho sucré et du millet perlé sucré sont de 26,5% et 28%, respectivement. L’expérience de 2014 avait pour objectif de déterminer l’effet de l’imprégnation de la bagasse du millet perlé sucré et du sorgho sucré sur le taux d’extraction des sucres. Les résultats ont démontré que l’extraction des sucres résiduels est meilleure avec l’utilisation de l’eau pour l’imprégnation de la bagasse pour un deuxième pressage qu’avec le recyclage du jus de premier pressage. Cependant, la durée de l’imprégnation de la bagasse n’a aucune influence sur l’extraction de ces sucres. En imprégnant la bagasse avec de l’eau, environ 36% et 47,5% des sucres solubles totaux ont été extraits de la biomasse du sorgho sucré et du millet perlé sucré, respectivement. / Two experiments were conducted at the Université Laval experimental station in Saint-Augustin-de-Desmaures to improve soluble sugars extraction from sweet pearl millet and sweet sorghum biomass for an eventual production of bioethanol. The 2013 experiment revealed that wetting the chopped biomass for a first pressing, with the already extracted juice, did not improve the juice yield of both crops. Also, the sugars (fructose, glucose, sucrose, and total soluble sugars) extraction rates have not been improved. The extraction rate of total soluble sugars from the biomass of sweet sorghum and sweet pearl millet were 26.5% and 28%, respectively. The objective of the 2014 experiment was to determine the effects of wetting sweet pearl millet and sweet sorghum bagasse on sugars extraction rates. Results demonstrated that the use of water is more efficient in extracting residual sugars than recycling the first pressing juice. However, the wetting duration has no effect on the extraction of these residual sugars from the bagasse. When using water for impregnation, about 36% and 47.5% of total soluble sugars were extracted from sweet sorghum and sweet pearl millet biomass, respectively.

La demande en énergies renouvelables est en constante augmentation. Le maïs est le plus utilisé en Amérique du Nord pour la production de bioéthanol. Toutefois, sa culture est exigeante et son utilisation pour des fins énergétiques est controversée. De nouvelles plantes énergétiques comme le millet perlé et le sorgho sucrés ont alors été explorées. Ces plantes poussent très bien dans des sols de moindre qualité, requièrent peu d'amendements et tolèrent bien le manque d'eau. Par ailleurs, aucune technique n'a été mise au point pour extraire le jus de leur biomasse directement à la ferme. L'objectif principal de ce travail de recherche était de concevoir et fabriquer une presse commerciale permettant d'extraire efficacement le jus de la biomasse du sorgho et du millet perlé sucrés et aussi intégrer une chambre d'accumulation de blocs de bagasse pour former des balles d'ensilage dédiées à l'alimentation animale. Un cahier des charges a d'abord permis de spécifier les critères de conception à respecter. Un remue-méninge et une matrice de décision ont par la suite été utilisés pour déterminer la meilleure solution répondant aux besoins. Finalement, une conception et une optimisation par ordinateur ont permis de produire le concept final. La presse et la chambre d'accumulation de blocs de bagasse ont été fabriquées au Département des sols et de génie agroalimentaire de l'Université Laval. Aussi, un système d'attache des blocs de bagasse a été intégré à la presse afin d'évaluer la faisabilité d'une valorisation de la bagasse sous forme de balles d'ensilage rectangulaires. Plusieurs essais intensifs au champ ont permis de tester le système presse/chambre d'accumulation de blocs de bagasse et de se prononcer sur son efficacité. Ce système a été testé avec succès et les résultats obtenus indiquent que la presse est capable de traiter 1.75 m³ de biomasse à la fois (environ 700 kg). Des taux d'extraction de 45 L de jus par 100 kg de biomasse ont été atteints, ce qui dépasse de loin les taux obtenus antérieurement à l'aide de petits prototypes de presse. Parmi les méthodes d'attache testées, l'enrobage dans un tube de plastique s'est avéré le plus adéquat. L'instrumentation installée sur la presse a permis de maximiser l'information obtenue lors des essais, ce qui a permis de mieux optimiser les cycles de pressage. Les données recueillies grâce à l'instrumentation ont permis de développer un modèle prédictif de la quantité de jus recueillie suite au pressage de la biomasse. L'information supplémentaire a aussi permis de caractériser les efforts internes subis par la presse lors des essais, ce qui permettra de mieux optimiser la structure d'un prochain prototype afin de réduire sa masse et donc les coûts de fabrication. Il est par ailleurs recommandé de réaliser d'autres essais incluant la biomasse de millet perlé sucré afin d'améliorer le modèle proposé et en étendre les limites d'utilisation. Des modèles plus étendus et précis permettront de mieux évaluer les étendues de la rentabilité du processus de pressage. / Demand for renewable energy is on the rise now more than ever. Right now, corn is the most used crop for ethanol production. It is, however, the most demanding crop to grow and its use as an energy source is controversial. For that reason, new energy crops like sweet pearl millet and sweet sorghum have been explored. Those plants grow easily on low potential soils, require little fertilizers and resist drought. However, no method is currently available to extract the juice from the biomass directly on the farm. The main objective of this research work was to design, build, and test a commercial scale press that extracts efficiently the juice from the biomass of sweet sorghum and sweet pearl millet and to integrate an attachment system to wrap the bagasse as silage bales. A design specification sheet first regrouped the design criteria. A brainstorm and a decision matrix were then used to determine the most adequate solution that best suites our requirements. Finally, computer aided design and optimisation allowed to produce the final solution. The press and bale forming attachment were built at the Department of Soil and Agri-Food Engineering of Université Laval. Also, a bagasse attachment system was integrated to the press in order to assess the feasibility of valorising the bagasse as rectangular silage bales. Intensive field trials allowed testing the press/bale attachment system and determining its efficiency. The system has been used with success and the results showed that the press is able to process 1.75 m³ (approx. 700 kg) at a time. Extraction rates of up to 45 L of juice per 100 kg of biomass were obtained, which surpassed results from previous tests with small scale press prototypes. Among the attachment methods tested, wrapping the blocs in a plastic tube proved to be the most adequate option. The instrumentation installed on the press allowed maximising the data obtained during the tests, which made it possible to better optimise the pressing cycles. The data was also used to develop a predictive model of the juice extraction from the biomass. The additional data also allowed better characterising the internal mechanical forces experienced by the press. This will be useful in optimizing the structure of another eventual prototype to reduce its mass and consequently manufacturing costs. Further tests including the biomass of sweet pearl millet are however recommended to refine the extraction model and expand its limits. More extensive and precise models will allow better assessing the limits of the pressing process profitability.

Dans l'optique de produire des agro‐carburants, le sorgho sucré est aujourd'hui proposé comme une alternative à d'autres espèces cultivées à grande échelle comme la canne à sucre et le maïs car il présente plusieurs avantages : le sorgho est résistant à la sécheresse et à la chaleur, il nécessite peu d'intrants, a en moyenne un cycle de culture relativement court (3‐4 mois) comparé à la canne à sucre. Il offre une grande diversité génétique à explorer et exploiter, tout en étant génétiquement moins complexe que la canne à sucre. Finalement, il peut être cultivé pour un double usage, le grain pouvant être utilisé comme source d'alimentation pour l'homme ou le bétail (à partir du grain) et le jus sucré contenu par les tiges comme source d'agrocarburant. Cette polyvalence en fait une culture idéale pour lutter contre la compétition entre cultures énergétiques et cultures vivrières et assurer des rendements dans des environnements de culture sujets au stress hydrique et thermique comme c'est le cas en Afrique de l'Ouest. Cependant, le caractère sucré du sorgho est complexe, car sous l'influence d'interactions Génotype X Environnement (GxE). Aussi, les mécanismes métaboliques, morphologiques ou phénologiques constituant la cinétique d'accumulation des glucides dans la tige et son éventuelle compétition avec le remplissage des grains restent mal connus ou très controversés dans la littérature. La présente thèse, réalisée dans le cadre du projet européen Sweetfuel, vise à comprendre ces mécanismes, afin de contribuer à la définition d'idéotypes de sorgho double usage, pour les environnements soudano‐sahéliens.Sur la base d'études expérimentales au champ au Mali et en serre en France, il a pu être démontré que les glucides sont accumulés dans les entrenoeuds des tiges par un jeu d'activités enzymatiques (favorisant l'accumulation d'hexoses puis de saccharose) dès le début de leur élongation, donc potentiellement avant la floraison. Au Mali, l'étude au champ de 14 génotypes adaptés aux conditions locales, plus ou moins sensibles à la photopériode et semés à trois dates différentes, a démontré le bénéfice d'un rallongement de la phase végétative sur la quantité de sucre accumulée dans les tiges de la plante à floraison, du fait d'un plus grand nombre d'entrenoeuds allongés et du temps à leur disposition pour accumuler des glucides avant ce stade. Ce bénéfice était cependant plus lié à la plus grande quantité de biomasse accumulée (taille des tiges) qu'à la concentration en sucre dans les entrenoeuds (plutôt stable entre dates de semis).Ainsi, la durée de la phase végétative et la sensibilité à la photopériode sont proposés comme des paramètres clés favorisant la quantité de glucides accumulée dans les tiges de la plante à floraison. D'autre part, il a été montré que la quantité de glucides présente à maturité dans les tiges des mêmes génotypes ne différait pas ou peu de celle à floraison, une éventuelle réduction pour quelques génotypes n'étant généralement pas significative et évitable par l'allongement du cycle. De plus, cette quantité de glucides dans les tiges à maturité n'a tiré aucun bénéfice de l'ablation de la panicule à floraison chez les mêmes génotypes. Ces résultats suggèrent que la compétition entre le remplissage du grain et la production de sucre est faible chez le sorgho, d'autant plus faible que la plante présente de grandes tiges et donc un grand compartiment de stockage des glucides, tamponnant cette éventuelle compétition. D'ailleurs, à une échelle plus fine, aucune différence n'a pu être mise en évidence en termes d'activité des principales enzymes du métabolisme carboné dans la tige d'un génotype dans sa version stérile (pas de remplissage du grain) et fertile.Ce travail a démontré le potentiel du sorgho pour une double utilisation dans un contexte soudano‐sahélien et la pertinence d'exploiter la diversité génétique de cette espèce pour cette objectif de sélection. Les résultats ob / Sweet sorghum offers many advantages as an alternative to widely cultivated crops such as corn and sugarcane to produce biofuels: it is resistant to water stress, it requires few inputs; it has a shorter growth cycle compared to sugarcane in particular. Sorghum also exhibits a great genetic diversity and is genetically less complex than sugarcane. Finally, sorghum can be cultivated for dual‐purpose uses, using grains for food or feed and sweet juice for biofuel production. Hence, sorghum is a promising option to reduce the competition for land and (water) resource use between food and fuel, in particular in cropping environments with high drought and heat stress frequency, as in West Africa. However, stem sweetness is a complex trait prone to genotype x environment interactions (GxE). The metabolic, morphological and phenological mechanisms involved in the kinetic of stem sugar accumulation and its possible competition with grain filling are largely unknown or controversial in the literature. The present work is part of the European project Sweetfuel and aims at better understanding these mechanisms and contributing to define dual‐purpose sorghum ideotypes for soudano‐sahelian conditions.Based on field and greenhouse experiments respectively in Mali and France, it was found that sugars start accumulating in stem internodes at the onset of their elongation, i.e. potentially soon before the plant flowers. The successive accumulation of hexose and then sucrose in internodes could be dynamically explained by changes in the activity of key enzymes related to sucrose metabolism. In Mali, a field experiment performed on 14 genotypes, contrasted for photoperiod sensitivity and sown at three planting dates, highlighted the interest of increasing vegetative phase duration to increase sugar yield. This was explained first of all by the higher number of internodes that could expand during a longer vegetative phase, and thus, by the higher production of stem biomass, and, to a minor extent, by the longer time for internodes to mature and accumulate sugar (sugar concentration in the stem was however fairly stable across sowing dates). Also, vegetative phase duration and photoperiod sensitivity can be considered as two key parameters promoting stem sugar content before grain filling. In the same time, it was shown that stem sugar content kept remarkably constant between anthesis and maturity in most of studied genotypes and that the reduction observed for some genotypes was overcome with an early sowing. Moreover, sugar accumulation in the stem between flowering and maturity did not benefit from panicle pruning. These results together suggest that the competition for carbohydrates between stem sugar reserves and grain filling is weak; it is even weaker for big/large stem genotypes with huge sugar reserves in the stem that would buffer a post‐flowering allocation of sugar from the stem to the grains if required. This low competition was confirmed at a finer scale, as no differences were observed in the activity of key enzymes of sucrose metabolism between the sterile and the fertile line of a same genotype.This work demonstrates the potential of sorghum for dual‐purpose in particular for soudano‐sahelian cropping conditions and the interest of using its genetic diversity for this breeding purpose. It provides further knowledge for revisiting the phenotyping strategies to be adopted to investigate the genetic basis of sugar and grain production and their combination. The results are also currently used to improve the way the source‐sink relationships underlying this dual production are formalized in crop and plant models at CIRAD. Such models will be then useful to assist sorghum ideotype exploration for dual purpose.